KR102285460B1 - 열전도 장치 - Google Patents

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Abstract

보다 멀리 이격된 거리에 대해 열전도 효율을 높일 수 있도록, 밀폐된 내부 공간을 갖는 외부파이프, 상기 외부파이프 내측 하부에 수용되는 열전달유체, 및 상기 외부파이프 내부에 이격되어 설치되고 외부파이프를 따라 연장되며 양 선단부에는 열전달유체가 유통되는 개방구가 형성된 내부파이프를 포함하여, 외부파이프에 가해지는 열에 의해 내부 압력이 팽창하여 열전달유체가 내부파이프의 하단 개방구를 통해 상단으로 이동되어 외부파이프 내측으로 순환되면서 열이 전달되는 구조의 열전도 장치를 제공한다.

Description

열전도 장치{DEVICE FOR HEAT CONDUCTION}
본 발명은 멀리 이격되어 보다 긴 거리에 대해 열전도 효율을 높일 수 있도록 된 열전도 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 열전도를 위한 히트 파이프(heat pipe)는 밀폐된 용기 내에 작동 유체를 주입한 후 진공 배기한 구조로 되어 있다. 히트파이프는 한쪽 끝을 가열하면 내부의 작동 유체가 기화되어 압력차에 의해 다른 쪽으로 이동하고 주변으로 열을 방출한 후 다시 응축의 과정을 거쳐 가열부로 귀환하는 구조로 되어 있다.
즉, 히트 파이프는 작동 유체의 증발 및 응축의 상변화에 따르는 잠열 및 모세관 현상을 이용하여 적은 온도차에도 불구하고 높은 열량을 상당히 먼 거리까지 전송시키는 열전달 기구이다. 이러한 특성을 활용하여 히트 파이프를 효율적인 냉각 장치로 활용할 수 있다. 이러한 히트 파이프의 모세관 현상을 증대시키고 열전달 효율을 높이기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 종래 히트 파이프 구조와 같은 열전도 기구는 효과적인 열전달 유효 거리가 1m 이내로 짧은 거리에서 열전달이 이루어질 뿐이었다. 종래의 경우 히트파이프 내부 유체의 끓는 점을 낮추기 위해 내부에 진공을 형성하여 유지하게 된다. 그런데, 히트파이프의 길이가 길어 열 이송 거리가 장거리인 경우에는 내부 진공 정도가 미약하고 이에, 히트파이프 고유의 성질인 빠른 열 전도도가 나타날 수 없게 된다.
따라서, 길이가 긴 히트파이프의 경우 열전도도가 떨어져 히트파이프로서의 역할을 수행하기 어려우며, 진공도를 높기 위해 많은 비용이 소요되는 문제가 있다.
이에, 보다 멀리 이격된 거리에 대해 열전도 효율을 높일 수 있도록 된 열전도 장치를 제공한다.
본 구현예의 열전도 장치는, 밀폐된 내부 공간을 갖는 외부파이프, 상기 외부파이프 내측 하부에 수용되는 열전달유체, 및 상기 외부파이프 내부에 이격되어 설치되고 외부파이프를 따라 연장되며 양 선단부에는 열전달유체가 유통되는 개방구가 형성된 내부파이프를 포함하여, 외부파이프에 가해지는 열에 의해 내부 압력이 팽창하여 열전달유체가 내부파이프의 하단 개방구를 통해 상단으로 이동되어 외부파이프 내측으로 순환되면서 열이 전달되는 구조일 수 있다.
상기 내부파이프는 복수개가 구비될 수 있다.
사기 외부파이프는 구리 또는 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.
상기 내부파이프는 외부파이프와 동일한 재질로 형성될 수 있다.
상기 열전달유체는 에틸알콜, 메틸알콜, 물, 오일, 나트륨, 수은에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 외부파이프는 내부에 상압 또는 상압 이하의 부압이 형성될 수 있다.
상기 외부파이프의 내경과 내부파이프의 외경 사이 단면적은 상기 내부파이프의 내경이 이루는 단면적보다 큰 구조일 수 있다.
상기 내부파이프는 내경이 0.2 내지 20mm 일 수 있다.
상기 외부파이프는 개방된 일단에 설치되어 내부를 폐쇄하는 밀봉부를 포함할 수 있다.
본 구현예의 따르면, 거리가 먼 장거리에 대해서도 열을 효과적으로 전도할 수 있다.
종래 히트파이프 등 열전도 구조를 통해서 구현하지 못했던 1m 이상 수십미터까지의 먼거리에 대해서도 보다 빠른 열전도가 가능하다.
보다 단순한 구조로 이루어져 제조가 용이하고 제조에 소요되는 비용을 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 열전도 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 열전도 장치의 개략적인 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 열전도 장치의 구성을 나타내고 있으며, 도 2는 본 실시예에 따른 열전도 장치의 단면 구조를 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 본 실시예의 열전도 장치(10)는 밀폐된 내부 공간을 갖는 외부파이프(20), 상기 외부파이프(20) 내측 하부에 수용되는 열전달유체(30), 및 상기 외부파이프(20) 내부에 이격되어 설치되고 외부파이프(20)를 따라 연장되며 양 선단부에는 열전달유체(30)가 유통되는 개방구(42,44)가 형성된 내부파이프(40)를 포함한다.
이에, 상기 열전도 장치(10)는 외부파이프(20)에 가해지는 열에 의해 내부 공기가 팽창하여 내부의 열전달유체(30)가 내부파이프(40)의 하단 개방구(42)를 통해 상단으로 이동되고 상단 개방구(44)를 통해 배출되어 순환된다. 따라서, 열전달유체(30)가 내부파이프(40)를 통해 상승하여 외부파이프(20) 내측을 통해 내려가면서 연속적으로 순환되어 열을 전달하게 된다.
상기 외부파이프(20)는 예를 들어, 일정한 내경을 갖는 원통형 관 구조물일 수 있다. 외부파이프(20)는 원통형태의 관 구조 외에 다양한 단면 형태로 이루어질 수 있다.
외부파이프(20)는 금속 재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 열전도도가 높은 구리나 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.
외부파이프(20)는 일단이 막혀 있고 타단은 열전달유체(30)와 내부파이프(40)를 내부에 넣을 수 있도록 개방된다. 외부파이프(20)는 개방된 선단에는 외부파이프(20) 내부를 폐쇄하여 외부로 차단하기 위한 밀봉부(22)가 설치된다. 밀봉부(22)는 외부파이프(20)의 개방된 선단을 밀봉할 수 있는 구조면 모두 적용가능하다. 예를 들어, 밀봉부(22)는 용접이나 나사 체결 구조 등 다양한 방법으로 외부파이프(20)에 접합될 수 있다.
이에, 본 실시예의 외부파이프(20)는 밀봉부(22)에 의해 외부와 차단되어 내부의 밀폐된 공간을 갖는다.
본 실시예에서, 외부파이프(20) 내부의 밀폐된 공간의 압력은 외부와 동일한 상압으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 외부파이프(20) 내부 압력을 상압으로 형성함으로써, 종래의 히트파이프 등 열전도 장치(10)와 같이 내부 진공압을 형성할 필요가 없다. 따라서, 종래와 비교하여 제조가 용이하며, 진공에 관계없이 긴 길이로 외부파이프(20)를 형성하여 보다 먼 거리에 대해서도 열전도 효율을 높일 수 있게 된다.
또 다른 실시예로, 상기 외부파이프(20) 내부 압력은 상압보다 낮은 부압으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 외부파이프(20) 밀봉작업 전에 열을 가해 외부파이프(20) 내부 공기가 팽창한 상태에서 외부파이프(20)의 개방된 선단을 밀봉부(22)로 접합하여 밀봉한다. 이에, 최종적으로 밀봉 제조된 외부파이프(20) 내부 공기가 수축되면서 외부파이프(20) 내부 압력은 부압을 형성하게 된다. 이러한 외부파이프(20)에 형성되는 부압 역시 종래 진공압과 비교하여 대단히 높은 압력으로 종래 진공압 형성에 따른 부담과 문제점을 해소할 수 있다.
상기 열전달유체(30)는 열전도 장치(10)의 적용 온도 조건에 따라 다양한 유체가 적용될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 열전달유체(30)는 에틸알콜, 메틸알콜, 물, 오일, 나트륨, 수은에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
저온 영역의 경우 에틸알콜, 메탈알콜 등이 열전달유체로써 사용될 수 있다. 150℃의 온도 대역에서는 열전달유체로써 증류수가 사용될 수 있다. 200℃ 정도의 중온 영역에서는 작동유와 같은 오일이 열전달유체로써 사용될 수 있다. 또한, 500℃ 이상의 온도 영역의 경우 열전달유체로 나트륨이나 수은 등이 사용될 수 있다.
이러한 열전달유체(30)는 외부파이프(20)의 개방된 선단을 통해 외부파이프(20) 내부에 정량 주입한다. 외부파이프(20)의 개방된 선단은 추후 밀봉부(22)가 접합 설치되므로, 외부파이프(20) 내에 주입된 열전달유체(30)의 유출을 차단할 수 있다.
상기 열전달유체(30)는 내부파이프(40)의 내부를 통해 외부파이프(20) 상단으로 이동하여 분출되면서 외부파이프(20) 하단에 가해진 열에너지를 외부파이프(20) 상단으로 신속하게 전달하게 된다.
상기 내부파이프(40)는 예를 들어, 일정한 내경을 갖는 원통형 관 구조물일 수 있다. 내부파이프(40)는 원통형태의 관 구조 외에 다양한 단면 형태로 이루어질 수 있다.
내부파이프(40)는 외부파이프(20)와 동일한 재질의 금속 재질로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 외부파이프(20)와 같이 열전도도가 높은 구리나 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.
내부파이프(40)는 열전달유체(30)가 유통될 수 있도록 양 선단에 개방구(42,44)가 형성된 구조로 되어 있다. 예를 들어, 내부파이프(40)는 양 선단이 뚫려 있는 관 구조물일 수 있다.
내부파이프(40)의 개방구(42,44)는 열전달유체(30)가 유입되거나 유출되는 구멍으로, 내부파이프(40)의 선단에 형성되거나, 내부파이프(40)의 선단부 외주면을 따라 형성될 수 있다.
상기 내부파이프(40)는 외부파이프(20)의 중심축선을 따라 중앙부에 배치될 수 있다. 내부파이프(40)는 외부파이프(20) 내부에 고정 설치될 수 있다. 내부파이프(40)의 외측면과 내부파이프(40) 내측면 사이에 적어도 하나 이상의 고정 브라켓(도시되지 않음)이 설치되어 외부파이프(20)에 대해 내부파이프(40)를 유동없이 지지할 수 있다.
또다른 실시예로, 외부파이프(20) 내부에 하나의 내부파이프(40)가 구비된 구조 외에 적어도 두 개 이상 복수개의 내부파이프(40)가 설치될 수 있다. 외부파이프(20) 내에 구비되는 각각의 내부파이프(40)는 모두 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 이러한 구조 역시, 외부파이프(20)에 열이 가해져 내부 공기가 팽창함에 따라 열전달유체(30)가 각각의 내부파이프(40) 내부를 통해 상승하여 외부파이프(20) 상부로 열을 전달하게 된다.
본 실시예에서, 상기 외부파이프(20)의 내경과 내부파이프(40)의 외경 사이의 단면적은 상기 내부파이프(40)의 내경이 이루는 단면적보다 큰 구조로 되어 있다. 내부파이프(40)가 복수개인 경우 각각의 내부파이프(40) 내측 단면적을 합하여 계산한다. 실험 결과, 내부파이프(40)의 내경이 이루는 단면적이 외부파이프(20) 내경과 내부파이프(40) 외경 사이 단면적 이상인 경우에는 외부파이프(20) 내부 공기 팽창시 열전달유체(30)가 내부파이프(40)를 따라 제대로 이동하지 못하여 열전달이 제대로 이루어지지 않는다.
또한, 본 실시예에서, 상기 내부파이프(40)는 내경이 0.2 내지 20mm 일 수 있다. 내부파이프(40)의 내경이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 내부파이프(40)를 통한 열전달유체(30) 이송이 효과적으로 이루어지지 못해 열전달 효율이 떨어지고 신속한 열전달이 이루어지지 않는다.
이하, 본 실시예에 따른 열전도 장치의 작용에 대해 설명하면, 열전도 장치의 외부파이프(20) 하단에 열이 가해지게 되면 외부파이프 내부의 공기가 열에 의해 팽창하게 된다.
외부파이프(20)는 외부와 차단되어 밀봉된 상태로, 내부 공기가 열에 의해 팽창되면 팽창된 공기에 의해 히트파이프 내부에 수용되어 있는 열전달유체(30)에 힘을 가하게 된다. 이에, 외부 열을 받아 가열된 열전달유체(30)가 내부파이프(40) 하단의 개방구(42) 통해 유입되어 위로 상승하게 된다. 내부파이프를 타고 상승된 열전달유체는 내부파이프(40) 상단의 개방구(44)를 통해 외부로 분출된다. 그리고 열전달유체(30)가 외부파이프(20) 상부 접하면서 열교환이 이루어진다.
즉, 열전달유체는 외부 열에 가열된 상태로 내부파이프를 따라 상승되어 외부파이프 내측 상부로 분출됨으로써, 열에너지를 외부파이프 상단으로 전달하게 된다. 열교환되어 온도가 떨어진 열전달유체는 외부파이프와 내부파이프 사이를 통해 다시 밑으로 이송된다. 외부파이프 하부로 이송된 열전달유체는 다시 가열되어 내부파이프를 통해 위로 상승된다. 이러한 열전달유체의 연속적인 흐름을 통해 외부파이프 하부의 열이 상부로 신속하게 전달된다.
이와 같이, 열전달유체가 내부파이프를 타고 상승하여 외부파이프 상부로 열을 전달함에 따라 외부파이프의 상부의 온도가 순식간에 상승하여 하부의 온도에 근접하게 된다.
따라서,본 실시예의 경우 외부파이프의 길이를 길게 형성하여 먼 거리간에 열을 전달하는 경우에도 열전도 효율을 높여 효과적으로 열을 전도할 수 있게 된다.
[실험예]
종래 구조의 히트파이프와 본 실시예에 따라 제조된 열전도 장치에 대한 열전달효율을 비교 실험하였다.
종래 구조의 히트파이프는 작동 유체의 증발 및 응축의 상변화에 따르는 잠열 및 모세관 현상을 이용하여 열을 전달하는 구조이다.
본 실시예의 열전도 장치는 언급한 바와 같이, 외부파이프와 내부파이프 및 열전달유체를 구비하여 내부 공기 팽창에 따라 열전달유체가 내부파이프를 따라 이동되어 열을 전달하는 구조이다.
종래의 히트파이프나 본 실시예의 열전도 장치 모두 내부 유체는 메탄올을 사용하였으며, 전체 길이는 2m로 제조하여 실험을 실시하였다.
실험은 100℃의 물이 담긴 용기에 종래의 히트파이프나 본 실시예의 열전도장치의 일측 선단을 넣어 열을 가하고, 타측 선단인 상단에서의 온도를 측정하여 이루어졌다.
실험 결과, 종래의 히트파이프는 하단에 100℃의 열을 가하였을 때, 상단의 온도가 70℃를 넘지 못하였다. 반면에 본 실시예의 열전도 장치의 경우 상단의 온도가 95 내지 100℃에 이르는 것으로 나타났다.
이격 거리가 먼 장거리에 대한 열전도 장치의 경우 열원에 위치한 하단과 상단의 온도가 거의 일치하는 것이 매우 중요하다.
이에, 먼 거리에 대한 열전도 효율에 있어서, 본 실시예의 열전도 장치의 열 전도율이 종래 히트파이프보다 월등히 높다는 것을 확인할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 열전도 장치 20 : 외부파이프
22 : 밀봉부 30 : 열전달유체
40 : 내부파이프 42,44 : 개방구

Claims (9)

  1. 밀폐된 내부 공간을 갖는 외부파이프, 상기 외부파이프 내측 하부에 수용되는 열전달유체, 및 상기 외부파이프 내부에 이격되어 설치되고 외부파이프를 따라 연장되며 양 선단부에는 열전달유체가 유통되는 개방구가 형성된 내부파이프를 포함하여,
    외부파이프의 하단 외측에서 가해지는 열이 외부파이프를 통해 전달되어 외부파이프 내부의 공기가 팽창하고, 팽창된 공기의 압력에 의해 열전달유체가 내부파이프의 하단 개방구를 통해 상단으로 이동되고 상단 개방구를 통해 배출되어 외부파이프 내측으로 순환되면서 열이 외부파이프 상단으로 전달되는 구조이고,
    상기 외부파이프는 내부 공기를 팽창한 상태에서 밀봉한후 외부파이프 내부 공기가 수축되면서 형성되는 상압 이하의 부압이 내부에 형성되고,
    상기 외부파이프의 내경과 내부파이프의 외경 사이 단면적은 상기 내부파이프의 내경이 이루는 단면적보다 큰 구조의 열전도 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부파이프는 복수개가 구비된 열전도 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부파이프는 구리 또는 알루미늄 재질로 형성된 열전도 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 내부파이프는 외부파이프와 동일한 재질로 형성된 열전도 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달유체는 에틸알콜, 메틸알콜, 물, 오일, 나트륨, 수은에서 선택되는 적어도 하나인 열전도 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부파이프는 내경이 0.2 내지 20mm 인 열전도 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부파이프는 개방된 일단에 설치되어 내부를 폐쇄하는 밀봉부를 포함하는 열전도 장치.
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